Патент на изобретение №2349020

(54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания электронно-лучевого оборудования и в других областях промышленности, где требуются мощные источники питания с высоким напряжением.

В основу изобретения положено использование высоковольтного трансформатора с многосекционной вторичной обмоткой в качестве высоковольтного источника питания. Каждая секция вторичной обмотки содержит последовательно соединенные выпрямительный узел с емкостным фильтром и импульсный регулятор понижающего типа с дополнительными элементами. По выходу между собой все регуляторы соединены последовательно. Такое соединение секции регуляторов по выходу источника питания позволяет достичь необходимого значения высокого напряжения для технологического оборудования. Использование в выходных цепях источника питания регуляторов с дополнительными элементами позволяет исключать влияние электрических пробоев и дуговых разрядов на работу электронно-лучевой пушки. Это приводит к получению технического результата – повышению эффективности и надежности технологического оборудования. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания электронно-лучевого оборудования, в рентгеновской технике и других областях промышленности, где требуются мощные источники питания с высоким напряжением.

Электронно-лучевая пушка по отношению к источнику электропитания является нестационарной нагрузкой с характерными периодическими пробоями, некоторые из которых способны переходить в длительный дуговой разряд. Использование стандартных источников, не учитывающих специфику такой нагрузки, вызывает значительное снижение ресурса работы электронно-лучевой пушки.

Известны высоковольтные источники электропитания для электротехнического оборудования. Так, для электронно-лучевой сварочной установки используется источник питания [а.с. СССР №1433693, БИ №22, 1990 г.], содержащий высоковольтный трансформатор, выпрямитель с емкостным фильтром и дроссель, включенный в цепь высокого напряжения между выходом источника питания и сварочной пушкой, в котором с целью подавления повторных пробоев при погасании разряда в пушке, параллельно дросселю включен высоковольтный диод, анод которого соединен с источником питания, а катод – с высоковольтным кабелем, соединяющим источник питания с пушкой. Однако данное техническое решение при малой индуктивности дросселя приводит к нежелательному появлению всплесков выходного тока источника, а при большой индуктивности – к длительному разряду дросселя, закороченного диодом. Кроме того, наличие индуктивности дросселя в цепи питания электронно-лучевой пушки способствует переходу электрических разрядов в длительный дуговой разряд, требующий для его разрушения дополнительных мер.

Известно также устройство для получения высокого напряжения, выполненное в виде последовательно соединенных нескольких источников постоянного тока и содержащее источник переменного напряжения, питающий несколько одно- или трехфазных выпрямителей, выходы которых соединены между собой последовательно [патент США №3363165, 1965]. Однако такое техническое решение нельзя использовать для питания электронно-лучевого оборудования, поскольку в данном устройстве отсутствует возможность уменьшения влияния пробоев в нагрузке.

Наиболее близким техническим решением является источник постоянного напряжения [а.с. СССР №752684, БИ №28, 1980]. Данное устройство (фиг.1) содержит высоковольтный трансформатор 1, имеющий первичную обмотку W₀ и N вторичных обмоток (W₁, … W_N). К каждой из N вторичных обмоток трансформатора подключен вход выпрямительного узла с емкостным фильтром 2, 3, 4 … N, причем по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно. Выпрямительный узел представляет собой диодный мост, в выходную цепь которого включен фильтрующий конденсатор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения работает следующим образом. Переменное напряжение питающей сети поступает на первичную обмотку трансформатора. Трансформатор преобразует уровень напряжения на первичной обмотке в заданный уровень напряжения на каждой из вторичных обмоток. Переменное напряжение на каждой из вторичных обмоток поступает на вход соответствующего выпрямительного узла. На выходе каждого выпрямительного узла формируется постоянное напряжение U. С учетом последовательного соединения всех выпрямительных узлов по выходу на выходе источника питания формируется суммарное значение постоянного напряжения, поступающего на нагрузку, равное N·U. Важным достоинством данного устройства является возможность получения высоких напряжений при использовании относительно низковольтных элементов. Однако данное техническое решение не содержит возможностей для уменьшения влияния пробоев в нагрузке.

Задачей изобретения является исключение влияния пробоев на величину тока электронного луча в электронно-лучевом оборудовании за счет введения регуляторов понижающего типа и дополнительных вентилей с функцией шунтирования цепи нагрузки по выходу регуляторов, которые позволяют в момент возникновения пробоя ограничить ток и затем, при необходимости, разрывать на заданное время паузы цепь протекания тока в нагрузку и обнулять напряжение на выходе источника. В результате такого решения величина тока электронного луча в электронно-лучевом оборудовании не превышает номинального рабочего значения во время пробоев в нагрузке. Более того, нулевые значения выходного тока источника во время дуговых разрядов (принудительные паузы выходного тока) способствуют их разрушению. Это приводит к повышению эффективности и надежности работы источника питания.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в высоковольтный источник питания для электронно-лучевого оборудования, содержащий трехфазный высоковольтный трансформатор с N вторичными обмотками, N трехфазных выпрямительных узлов с емкостным фильтром, причем каждая из вторичных обмоток трансформатора подключена ко входу одного из N трехфазных выпрямительных узлов, а по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно, введено N регуляторов понижающего типа и дополнительно к каждому из N регуляторов введены один транзистор, первый и второй диоды, причем положительная и отрицательная выходные клеммы выпрямительного узла подключены соответственно к положительной и отрицательной входным клеммам регулятора, катод первого диода подключен к положительной входной клемме регулятора, анод первого диода подключен к положительной выходной клемме регулятора, коллектор первого транзистора и катод второго диода подключены к положительной выходной клемме регулятора, эмиттер первого транзистора и анод второго диода подключены к отрицательной выходной клемме регулятора, выходные клеммы всех N регуляторов соединены последовательно.

Для уменьшения влияния паразитных параметров кабеля подключения источника к электронно-лучевому оборудованию в высоковольтный источник питания для электронно-лучевого оборудования в каждый из N регуляторов введены один резистор и третий диод в разрыв цепи между положительной выходной клеммой регулятора и точкой соединения коллектора первого транзистора и катода второго диода, причем первый вывод резистора и анод третьего диода подключены к положительной выходной клемме регулятора, а второй вывод резистора и катод третьего диода подключены к точке соединения коллектора первого транзистора и катода второго диода.

Кроме того, для возможности использования элементной базы с более низким допустимым напряжением в высоковольтном источнике питания для электронно-лучевого оборудования каждый из N регуляторов понижающего типа содержит первый и второй транзисторы, первый и второй диоды, двухобмоточный дроссель, первый и второй конденсаторы, к каждому регулятору дополнительно введен один диод, причем коллектор первого транзистора и положительный вывод первого конденсатора подключены к положительной входной клемме регулятора и катоду третьего диода, эмиттер второго транзистора и отрицательный вывод второго конденсатора подключены к отрицательной входной клемме регулятора и аноду четвертого диода, эмиттер первого транзистора подключен к катоду первого диода и первому выводу первой обмотки дросселя, коллектор второго транзистора подключен к аноду второго диода и второму выводу второй обмотки дросселя, анод первого диода и катод второго диода подключены к отрицательному выводу первого конденсатора и положительному выводу второго конденсатора, второй вывод первой обмотки дросселя подключен к положительной выходной клемме регулятора, к которой также подключены анод третьего диода, коллектор третьего транзистора и катод пятого диода, первый вывод второй обмотки дросселя подключен к отрицательной выходной клемме регулятора, к которой также подключены катод четвертого диода, эмиттер третьего транзистора и анод пятого диода, выходные клеммы всех N регуляторов соединены последовательно.

Также для повышения коэффициента мощности на входе источника питания и снижения пульсаций выходного напряжения в высоковольтном источнике питания в его в высоковольтном трансформаторе одна половина общего числа вторичных обмоток включена по схеме «звезда», вторая половина общего числа вторичных обмоток включена по схеме «треугольник», причем количество витков в обмотках «звездой» должно быть в раз меньше количества витков в обмотках «треугольником».

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое техническое решение отличается наличием новых элементов и новых связей между элементами высоковольтного источника питания для электронно-лучевого оборудования, что повышает эффективность и надежность работы устройства. На основании этого можно сделать вывод о том, что совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, является необходимой и достаточной для достижения обеспечиваемого изобретением нового технического результата – повышение эффективности и надежности работы источника питания.

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, где:

на фигуре 1 изображена структурная схема прототипа – А.С. СССР №752684, БИ №28, 1980;

на фигуре 2 изображена структурная схема заявляемого технического решения;

на фигуре 3 изображена структурная схема подключения дополнительно введенных элементов для одного из N каналов в заявляемом техническом решении по вторичной стороне источника питания;

на фигуре 4 приведены диаграммы выходного тока для заявляемого технического решения в процессе его работы;

на фигуре 5 изображена электрическая схема реализации одного из N регуляторов понижающего типа в заявляемом техническом решении;

на фигуре 6 изображена структурная схема заявляемого технического решения, где показан принцип подключения вторичных обмоток высоковольтного трансформатора источника питания.

Предлагаемое устройство (фиг.2) содержит трехфазный высоковольтный трансформатор 1, имеющий первичную обмотку W₀ и N вторичных обмоток (W₁, … W_N). К каждой из N вторичных обмоток трансформатора подключен вход выпрямительного узла с емкостным фильтром 2, 3, 4 … К. Устройство также содержит N регуляторов понижающего типа 5, 6, 7 … М. К каждому из регуляторов подключены транзистор 8 и диоды 9 и 10. Выходные клеммы всех N регуляторов объединены последовательно.

Дополнительно введенные элементы к каждому из регуляторов предлагаемого технического решения включают в себя (фиг.3) параллельно соединенные диод 11 и резистор 12, включенные между положительной выходной клеммой регулятора 5 и точкой соединения транзистора 8 и диода 10.

Предлагаемая реализация регулятора понижающего типа в заявляемом техническом решении (фиг.5) включает в себя два силовых транзистора 13, 14, силовые диоды 15, 16, двухобмоточный дроссель 17 и емкостной делитель 18, 19. Обмотки дросселя данного регулятора выполнены магнитосвязанными на одном ферромагнитном магнитопроводе в виде двухобмоточного дросселя. К регулятору 5 подключены шунтирующий выход устройства транзистор 8, а также обратные диоды 9, 10, 20. По выходу все регуляторы источника соединены последовательно.

Принцип подключения вторичных обмоток (фиг.6) высоковольтного трансформатора 1 заявляемого технического решения заключается в том, что вторичные обмотки попарно соединены в «звезду» и «треугольник». Причем количество витков в обмотках «звездой» должно быть в раз меньше количества витков в обмотках «треугольником». К каждой из N вторичных обмоток трансформатора подключен вход ячеек 2, 3, … М-1, М. Каждая из ячеек содержит выпрямительный узел с емкостным фильтром и регулятор понижающего типа. Выходы всех ячеек объединены последовательно.

Устройство работает следующим образом. Входное питающее напряжение подается на первичную обмотку трансформатора 1. На вторичных обмотках при этом появляется напряжение величиной, соответствующей коэффициенту трансформации данного трансформатора. С помощью выпрямительных узлов с емкостным фильтром 2, 3, 4 … К переменное напряжение на вторичных обмотках преобразуется в постоянное напряжение величиной, равной амплитудному значению напряжения на вторичных обмотках. Выпрямленное постоянное напряжение с выпрямительных узлов поступает на соответствующие регуляторы понижающего типа 5, 6, 7 … М. Таким образом в источнике на вторичной стороне трансформатора образуется N каналов передачи энергии в нагрузку. Данные регуляторы в номинальном режиме работы источника находятся в полностью проводящем состоянии, при котором регулирующий вентиль полностью открыт. Напряжение со входа регулятора практически без потерь передается на его выход. При этом транзистор 8 в каждом канале находится в запертом состоянии. По выходу все регуляторы соединены последовательно, поэтому на выходе источника питания образуется суммарное напряжение всех каналов передачи энергии.

При возникновении пробоя в нагрузке (в электронно-лучевой пушке) выходной ток источника начинает возрастать и при некотором заданном значении все регуляторы переходят в релейный режим токоограничения. Длительность такого режима работы может быть регулируемой для определения устойчивости возникшего пробоя и отсечения саморазрушающихся пробоев. Через некоторое заданное время (так называемое время селекции) после начала устойчивого дугового разряда в каждом канале регулирующий вентиль регулятора запирается, а транзистор 8 отпирается по внешней команде на заданное время паузы, достаточное для разрушения пробоя в нагрузке. При этом на выходе источника формируется нулевое значение напряжения и нулевой выходной ток. В момент времени, когда заканчивается интервал паузы (вентили в регуляторах открылись, транзисторы 8 заперлись), а пробой в нагрузке уже саморазрушился, выходной ток каждого регулятора приобретает номинальное значение. При этом, если установившийся ток нагрузки оказался меньше того значения, которое было до пробоя, то часть тока, равная разности тока дросселя регулятора и тока нагрузки, замыкается через диод 9. В этом случае выходное напряжение регулятора не может превышать напряжение конденсатора емкостного фильтра в выпрямительном узле каждого канала и общее напряжение источника ограничено. Диод 10 устраняет отрицательные всплески напряжений на выходе каждого регулятора. Также диод 10 создает цепь протекания тока нагрузки источника в случае, когда данный канал источника выключен из алгоритма работы (вентиль регулятора заперт, транзистор 9 открыт).

Таким образом, в данной схеме, в отличие от прототипа, в момент образования пробоя в нагрузке выходной ток ограничен, а при возникновении дугового разряда выходное напряжение источника ограничивается на нулевом уровне. Это позволяет разрушать развитие дугового разряда в нагрузке, а значит – исключить влияние пробоев на величину тока электронного луча в электронно-лучевом оборудовании, что приводит к повышению качества технологического процесса.

В момент возникновения пробоя в нагрузке в выходной цепи источника питания возникает всплеск выходного тока. Этот всплеск тока обусловлен влиянием распределенных паразитных параметров кабеля между источником питания и электронно-лучевой установкой. Благодаря данному решению этот всплеск тока протекает по цепи через диод 10 и резистор 12 в каждом регуляторе источника. Выбором величины сопротивления резистора 12 можно влиять на уменьшение всплеска этого тока в два-три раза. Диаграмма обратной волны тока при отсутствии сопротивления в выходной цепи (резистора 12) показана на верхней эпюре фигуры 4, при его наличии – на нижней эпюре фигуры 4. В течение формирования паузы выходного напряжения путем отпирания транзистора 8 и запирания регулирующего вентиля в регуляторе 5 остаточный ток дросселя регулятора замыкается по цепи через открытый транзистор 8 и диод 11, минуя резистор 12.

Таким образом, при данном техническом решении всплеск тока, обусловленный влиянием распределенных параметров кабеля, ограничивается активным сопротивлением в выходной цепи источника питания. С другой стороны, наличие такого активного сопротивления в выходной цепи не создает дополнительных падений напряжения в выходной цепи источника в момент формирования пауз выходного напряжения и тока во время принудительного разрушения пробоев в нагрузке благодаря наличию диода, включенного параллельно с введенным резистором. Эти факторы улучшают эффективность и надежность источника питания.

При использовании в качестве регулятора понижающего типа схемы с емкостным делителем и двухобмоточным дросселем источник питания работает следующим образом. В стационарном режиме работы нагрузки источника питания регулирующие транзисторы 13, 14 в каждом из N регуляторов открыты, транзистор 8 – закрыт. При возникновении пробоя в нагрузке (электронно-лучевой установке) выходной ток источника начинает возрастать. При заданном значении выходного тока каждый регулятор переходит в релейный режим токоограничения и, соответственно, транзисторы 13, 14 работают в импульсном режиме. По окончании времени селекции после возникновения пробоя открывается транзистор 8, а транзисторы 13, 14 закрываются на заданное время паузы. При этом в выходном токе и напряжении источника формируется нулевая пауза, необходимая для разрушения пробоя в нагрузке. Ток дросселя 17 замыкается через диоды 15, 16 и транзистор 8. По окончании времени паузы транзисторы 13, 14 открываются, а транзистор 8 – закрывается. При этом остаточный ток дросселя 17, равный разности между величиной токоограничения и установившимся током нагрузки, замыкается через диоды 9, 20 и конденсаторы емкостного делителя 18, 19 на входе регулятора.

Таким образом, в использованном техническом решении за счет особенностей выполнения регулятора понижающего типа в каждом канале источника питания по сравнению с традиционным регулятором удается снизить в два раза рабочие напряжения на силовых элементах схемы. Это дает возможность использования элементной базы в источнике питания с более низким допустимым напряжением, что уменьшает установленную мощность полупроводниковых приборов. С другой стороны, наличие полупроводниковых приборов с высокими допустимьми значениями напряжения позволяет уменьшать количество N используемых каналов передачи энергии в источнике для достижения требуемого суммарного выходного напряжения. Названные факторы повышают эффективность источника электропитания.

При соединении вторичных обмоток трансформатора в источнике питания в «звезду» и «треугольник» устройство работает следующим образом. В номинальном режиме работы источника входное питающее напряжение подается на первичную обмотку трансформатора 1. На вторичных обмотках при этом появляется напряжение величиной, соответствующей коэффициенту трансформации данного трансформатора. Причем напряжение на обмотках «звездой» в раз меньше напряжения на обмотках в «треугольник». С помощью выпрямительных узлов с емкостным фильтром в каждой из ячеек 2, 3, … М-1, М переменное напряжение на вторичных обмотках преобразуется в постоянное пульсирующее напряжение с одинаковой величиной на выходе всех выпрямительных узлов и равной амплитудному значению линейного напряжения на вторичных обмотках. Так как в номинальном режиме работы источника регулирующий транзистор регуляторов во всех ячейках открыт, то на выходе источника имеется суммарное напряжение всех каналов. Причем ввиду того, что фазовый сдвиг между пульсациями напряжений на выходах выпрямительных узлов, в которых обмотки соединены в «звезду» и «треугольник», составляет 30 электрических градусов сетевого напряжения, в суммарном выходном напряжении источника имеет место 12-пульсная система напряжения. Амплитуда пульсаций в таком напряжении по отношению к постоянной составляющей в два раза меньше, чем пульсации в отдельных каналах выпрямительных узлов. Кроме того, выпрямление токов вторичных обмоток, соединенных «звездой» и «треугольником», вызывает различный характер тока через обмотки, что при их суммировании в токах первичной обмотки вызывает значительное ослабление 5 и 7 гармоник и, тем самым, повышает коэффициент мощности на входе источника. Из приведенного следует, что использованное техническое решение за счет указанного типа соединения вторичных обмоток позволяет улучшить эффективность предлагаемого источника питания.

Таким образом, по сравнению с прототипом, использование описанного технического решения устраняет влияние пробоев на величину тока электронного луча в электронно-лучевом оборудовании и улучшает параметры источника питания, что позволяет достигнуть нового технического результата – повысить эффективность и надежность работы источника питания.

Формула изобретения

1. Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого оборудования, содержащий трехфазный высоковольтный трансформатор с N вторичными обмотками, N трехфазных выпрямительных узлов с емкостным фильтром, причем каждая из вторичных обмоток трансформатора подключена ко входу одного из N трехфазных выпрямительных узлов, а по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно, отличающийся тем, что в него введено N регуляторов понижающего типа и дополнительно к каждому из них введены один транзистор, первый и второй диоды, причем положительная и отрицательная выходные клеммы выпрямительного узла подключены соответственно к положительной и отрицательной входным клеммам регулятора, катод первого диода подключен к положительной входной клемме регулятора, анод первого диода подключен к положительной выходной клемме регулятора, коллектор первого транзистора и катод второго диода подключены к положительной выходной клемме регулятора, эмиттер первого транзистора и анод второго диода подключены к отрицательной выходной клемме регулятора, выходные клеммы всех N регуляторов соединены последовательно.

2. Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого оборудования по п.1, отличающийся тем, что в него к каждому из N регуляторов введены один резистор и третий диод в разрыв цепи между положительной выходной клеммой регулятора и точкой соединения коллектора первого транзистора и катода второго диода, причем первый вывод резистора и анод третьего диода подключены к положительной выходной клемме регулятора, а второй вывод резистора и катод третьего диода подключены к точке соединения коллектора первого транзистора и катода второго диода.

3. Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого оборудования по п.1, отличающийся тем, что в нем каждый из N регуляторов понижающего типа содержит первый и второй транзисторы, первый и второй диоды, двухобмоточный дроссель, первый и второй конденсаторы, к каждому регулятору дополнительно введен один диод, причем коллектор первого транзистора и положительный вывод первого конденсатора подключены к положительной входной клемме регулятора и катоду третьего диода, эмиттер второго транзистора и отрицательный вывод второго конденсатора подключены к отрицательной входной клемме регулятора и аноду четвертого диода, эмиттер первого транзистора подключен к катоду первого диода и первому выводу первой обмотки дросселя, коллектор второго транзистора подключен к аноду второго диода и второму выводу второй обмотки дросселя, анод первого диода и катод второго диода подключены к отрицательному выводу первого конденсатора и положительному выводу второго конденсатора, второй вывод первой обмотки дросселя подключен к положительной выходной клемме регулятора, к которой также подключены анод третьего диода, коллектор третьего транзистора и катод пятого диода, первый вывод второй обмотки дросселя подключен к отрицательной выходной клемме регулятора, к которой также подключены катод четвертого диода, эмиттер третьего транзистора и анод пятого диода, выходные клеммы всех N регуляторов соединены последовательно.

4. Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого оборудования по п.1, отличающийся тем, что в нем в высоковольтном трансформаторе одна половина общего числа вторичных обмоток включена по схеме «звезда», вторая половина общего числа вторичных обмоток включена по схеме «треугольник», причем количество витков в обмотках «звездой» должно быть в раз меньше количества витков в обмотках «треугольником».

РИСУНКИ